一米新真空紅外太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡多波段光譜儀光譜彎曲分析

王瑞，徐稚，劉忠

(1.中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

一米新真空紅外太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡多波段光譜儀光譜彎曲分析

王瑞1，2，徐稚1，劉忠1

(1.中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

在太陽(yáng)長(zhǎng)狹縫光譜觀測(cè)中，光譜的狹縫方向和色散方向應(yīng)該分別與CCD探測(cè)器的兩個(gè)邊緣平行。但實(shí)際上，由于狹縫、光柵、CCD探測(cè)器的機(jī)械安裝精度等原因，會(huì)造成他們之間的位置關(guān)系不匹配，導(dǎo)致得到的太陽(yáng)光譜總是存在一定的傾斜和變形。即使有時(shí)這些傾斜很微小，也會(huì)對(duì)太陽(yáng)光譜的平場(chǎng)計(jì)算造成嚴(yán)重影響，從而影響整個(gè)光譜數(shù)據(jù)的處理過(guò)程。對(duì)撫仙湖1 m新真空紅外太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡多波段光譜儀得到的一組Hα光譜數(shù)據(jù)的傾斜量做了測(cè)量和分析，并討論了其對(duì)太陽(yáng)光譜平場(chǎng)計(jì)算的影響。

1 m新真空紅外太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡；多波段光譜儀；太陽(yáng)Hα光譜；光譜彎曲

CN53－1189/P ISSN1672－7673

云南天文臺(tái)1 m新真空紅外太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡(the 1-meter New Vacuum Solar Telescope，NVST)是中國(guó)新一代地面大型太陽(yáng)觀測(cè)設(shè)備，有效口徑980 mm，有效焦距45 m，位于云南玉溪撫仙湖，是撫仙湖太陽(yáng)觀測(cè)與研究基地的主要設(shè)備。主要的科學(xué)目標(biāo)是在0.3 μm～2.5 μm波段對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行多通道高分辨率成像觀測(cè)、高分辨率光譜觀測(cè)和磁場(chǎng)測(cè)量。主要設(shè)備有多通道高分辨率成像系統(tǒng)、多波段光譜儀、大色散光譜儀和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)[1－2]。其中，多波段光譜儀是一個(gè)中等分辨率的閃耀光柵光譜儀(R～130000)，用于對(duì)太陽(yáng)在可見(jiàn)光波段進(jìn)行多譜線光譜觀測(cè)，可實(shí)現(xiàn)三通道同時(shí)觀測(cè)，目前3個(gè)通道分別設(shè)為Hα 656.3 nm、Ca II 854.2 nm和He I 1 083.0 nm[1]。多波段光譜儀的裝調(diào)誤差分析等工作已于2011年完成[3]，并在2012年7月獲得初光光譜。本文對(duì)獲得的Hα 656.3 nm光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了光譜幾何形變的測(cè)量和分析，并討論其對(duì)太陽(yáng)光譜平場(chǎng)計(jì)算的影響，為以后多波段光譜儀光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)的建立提供前期的探索。

1 多波段光譜儀Hα 656.3 nm原始光譜數(shù)據(jù)

多波段光譜儀Hα 656.3 nm原始光譜數(shù)據(jù)拍攝于日面中心附近的寧?kù)o區(qū)，曝光時(shí)間是200 ms，觀測(cè)當(dāng)天視寧度較好。圖1展示了Hα 656.3 nm原始光譜數(shù)據(jù)及其存在的一些問(wèn)題。光譜上存在著一些附著在CCD封窗或是光路上的臟點(diǎn)和污垢；光譜儀狹縫上的灰塵和臟點(diǎn)也在光譜上造成了很多沿色散方向分布的細(xì)黑線；虛線標(biāo)出了CCD邊緣的方向，從虛線左側(cè)的譜線可以看出光譜相對(duì)于CCD的邊緣有一個(gè)明顯的傾斜。

2 譜線傾斜量分析及其對(duì)平場(chǎng)計(jì)算的影響

選取一條細(xì)而深的吸收譜線做譜線傾斜量(光譜沿狹縫方向的幾何形變)的測(cè)定，如虛線左邊的那條吸收線。首先，測(cè)定每一行光譜中該吸收譜線的線心位置。鑒于選取的是一條細(xì)而深的光球吸收線，可用高斯輪廓對(duì)其線心部分進(jìn)行擬合，并對(duì)線心位置做出估計(jì)[4－5]。取曲線中心區(qū)域附近的大約15個(gè)像素點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行高斯擬合，擬合的峰值即為估計(jì)的線心位置。如果以第1行的線心位置作為參考(偏移量設(shè)為0)，那么由于譜線存在傾斜，各行線心就會(huì)存在相對(duì)的偏移量(以偏移的像素值表示)。這些偏移量分布的擬合結(jié)果反應(yīng)了整幅太陽(yáng)光譜的譜線傾斜。圖2給出了多波段光譜儀Hα 656.3 nm原始光譜數(shù)據(jù)的傾斜量的測(cè)量結(jié)果。加號(hào)表示探測(cè)的譜線線心的相對(duì)位置，黑線是對(duì)線心分布的擬合，橫軸是狹縫方向各像素點(diǎn)，縱軸表示線心的偏移量。對(duì)線心分布的擬合采用多項(xiàng)式擬合法，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)二階多項(xiàng)式足以很好地描述這一分布，擬合標(biāo)準(zhǔn)差(σ)為0.36。根據(jù)擬合結(jié)果，得到譜線傾斜偏移最大達(dá)到了25個(gè)像素。

圖1 多波段光譜儀Hα 656.3 nm原始光譜數(shù)據(jù)Fig.1 A raw spectrum obtained by the Multi-Wavelength Spectrometer in the Hα(656.3nm)channel

這個(gè)傾斜量的存在不僅對(duì)光譜科學(xué)分析的結(jié)論造成影響，如測(cè)量譜線的多普勒移動(dòng)，還會(huì)對(duì)平場(chǎng)的計(jì)算產(chǎn)生破壞。為了消除譜線的傾斜偏移，將每一行光譜根據(jù)所測(cè)出的相對(duì)偏移量進(jìn)行移動(dòng)，使得譜線平行于CCD的邊緣。圖3(a)和圖3(b)分別展示了存在譜線傾斜和譜線傾斜校正后得到的平場(chǎng)。兩個(gè)平場(chǎng)中都包含了原始光譜數(shù)據(jù)中存在的需要去除的非太陽(yáng)光譜信息，如臟點(diǎn)、細(xì)黑線等。但是，由于光譜譜線傾斜的存在使得在圖3(a)的平場(chǎng)中，各譜線位置處出現(xiàn)了明暗交替的起伏，這些起伏量在對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平場(chǎng)處理時(shí)會(huì)被帶入處理后的數(shù)據(jù)中，使光譜數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤。圖3(b)的平場(chǎng)則正確地反映了原始光譜數(shù)據(jù)中存在的各種偽信號(hào)。

圖2 多波段光譜儀Hα 656.3 nm原始光譜數(shù)據(jù)譜線傾斜量Fig.2 The inclination of the raw spectrum obtained by the Multi-Wavelength Spectrometer in the Hα channel

3 結(jié) 論

實(shí)際觀測(cè)中，所得到的太陽(yáng)光譜通常會(huì)存在一定的傾斜或彎曲，光譜的這種幾何形變會(huì)導(dǎo)致一個(gè)錯(cuò)誤的平場(chǎng)。用這種錯(cuò)誤的平場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，會(huì)使處理的結(jié)果發(fā)生錯(cuò)誤從而影響光譜數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。因此，對(duì)太陽(yáng)光譜的幾何形變不需進(jìn)行預(yù)先的處理。一方面要努力提高光譜儀機(jī)械安裝的精度，一方面可以通過(guò)后期的軟件處理對(duì)殘余的形變進(jìn)行進(jìn)一步校正。

圖3 譜線傾斜(圖(a))和傾斜校正后(圖(b))計(jì)算的平場(chǎng)Fig.3 The panels(a)and(b)are the mean flatfields calculated without and with the spectrum-curvature correction，respectively

[1] Liu Z，Xu J.1-meter near-infrared solar telescope[C]//First Asia-Pacif i c Solar Physics Meeting ASI Conference Series，2011，2:9－17.

[2] 劉忠，尤建圻，沈龍翔.一米紅外太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡[C]//2002年中國(guó)天文望遠(yuǎn)鏡及儀器研討會(huì)會(huì)議文集，2002:272－276.

Liu Zhong，You Jianqi，Shen Longxiang.One meter infrared solar telescope[C]//Corpus of the Conference about Chinese Astronomical Telescope and Instrument，2002:272－276.

[3] Fu Yu，Chen Xiangming，Yuan Su，et al.Error analysis of adjusting and alignment for multiband spectrometer of one meter solar telescope[J].Chinese Journal of Lasers，2012，39(s2):s208007.

[4] Evans J W.Inclined inhomogeneities in the solar photosphere[J].Astrophysica Norvegica，1964，9(4):33－54.

[5] Jefferies J T，White O R.The analysis of spectral-line profile.I.a generalized theory for solar case[J].Astrophysical Journal，1967，150:1051－1060.

An Analysis of Spectrum Curvatures for the Multi-Wavelength Spectrometer of the New Vaccum Solar Telescope of the Yunnan Observatories

Wang Rui1，2，Xu Zhi1，Liu Zhong1
(1.Yunnan Observatories，Chinese Academy of Sciences，Kunming 650011，China，Email:ruiwang＠ynao.ac.cn；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

In observation of long-slit solar spectra，the slit direction and dispersion direction of a spectrum should ideally be parallel to two sides of the CCD，respectively.In practice this is difficult to be achieved because of errors of the relative positions of the slit，grating grooves，and the detector as introduced in installation of the mechanisms.Observed solar spectra are then always curved(or inclined).The purpose of this paper is to measure and analyze the curvatures of Hα solar spectra obtained by the Multi-Wavelength Spectrometer of the new vaccum solar telescope of the Yunnan Observatories.We also discuss influences of spectral curvatures on evaluation of flatfields.

New vacuum solar(1-meter)telescope；Multi-wavelength spectrometer；Hα solar spectra；Spectral curvature

P182.3；P123.2＋2

A

1672－7673(2014)02－0165－03

2013－05－11；修定日期:2013－05－20

王 瑞，女，碩士.研究方向:天文技術(shù)與方法.Email:ruiwang＠ynao.ac.cn